Научная статья на тему 'Влияние несимметричного режима электрической сети на работу потребителей электрической энергии'

Влияние несимметричного режима электрической сети на работу потребителей электрической энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
358
31
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕСИММЕТРИЯ / НЕСИММЕТРИЧНЫЙ РЕЖИМ / КОЭФФИЦИЕНТ НЕСИММЕТРИИ / ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ / ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Чижикова Наталья Вадимовна

Существующие устройства устранения несимметрии, имеющие дискретный характер регулирования, не учитывают резкопеременный характер нагрузок, включенных в сложные электротехнологические комплексы, и не обеспечивают точности параметров симметрирования сети. В данных условиях необходимо применение таких устройств, в которых могло бы осуществляться с достаточно высоким быстродействием непрерывное изменение параметров элементов схемы Штейнметца (индуктивности и емкости) в соответствии с изменением нагрузки. Для решения поставленных задач использованы численно-аналитические и экспериментальные методы исследования. С помощью анализатора электропотребления AR-5 и программного пакета Power Vision дана оценка несимметрии, имеющей место при работе комплекса установок для выращивания монокристаллов лейкосапфира «Апекс-М». Разработано схемотехническое решение быстродействующего симметрирующего устройства на базе магнитовентильных элементов с плавнорегулируемым изменением характера проводимости, позволяющего обеспечить оптимальный уровень симметрии в электротехнологическом комплексе установок для выращивания монокристаллов. Установлено, что применение комплекса быстродействующих симметрирующих устройств на базе магнитовентильных элементов с использованием модульного алгоритма управления позволяет снизить коэффициент несимметрии до нормального уровня, что способствует повышению эффективности как самой питающей сети, так и энергокомплекса в целом.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Чижикова Наталья Вадимовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние несимметричного режима электрической сети на работу потребителей электрической энергии»

УДК 624.07:534.1

Влияние несимметричного режима электрической сети на работу потребителей электрической энергии

Н. В. Чижикова

ФГБОУВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»,

г. Рыбинск, Российская Федерация E-mail: [email protected]

Авторское резюме

Состояние вопроса: Существующие устройства устранения несимметрии, имеющие дискретный характер регулирования, не учитывают резкопеременный характер нагрузок, включенных в сложные электротехнологические комплексы, и не обеспечивают точности параметров симметрирования сети. В данных условиях необходимо применение таких устройств, в которых могло бы осуществляться с достаточно высоким быстродействием непрерывное изменение параметров элементов схемы Штейнметца (индуктивности и емкости) в соответствии с изменением нагрузки.

Материалы и методы: Для решения поставленных задач использованы численно-аналитические и экспериментальные методы исследования. С помощью анализатора электропотребления AR-5 и программного пакета Power Vision дана оценка несимметрии, имеющей место при работе комплекса установок для выращивания монокристаллов лейкосапфира «Апекс-М».

Результаты: Разработано схемотехническое решение быстродействующего симметрирующего устройства на базе магнитовентильных элементов с плавнорегулируемым изменением характера проводимости, позволяющего обеспечить оптимальный уровень симметрии в электротехнологическом комплексе установок для выращивания монокристаллов.

Выводы: Установлено, что применение комплекса быстродействующих симметрирующих устройств на базе магнитовентильных элементов с использованием модульного алгоритма управления позволяет снизить коэффициент несимметрии до нормального уровня, что способствует повышению эффективности как самой питающей сети, так и энергокомплекса в целом.

Ключевые слова: несимметрия, несимметричный режим, коэффициент несимметрии, показатели качества электроэнергии, повышение качества электроэнергии.

Influence of electrical network unbalanced conditions on electric power consumers

N.V. Chizhikova

Rybinsk State Aviation Technology University, Rybinsk, Russian Federation E-mail:[email protected]

Abstract

Background: The existing devices eliminating the unbalance through discrete adjustment do not take into account the fast-variable nature of loads in complex electric technology systems and do not provide sufficient accuracy of network parameter balancing. Under these conditions it is necessary to use fast-response devices which could continuously modify parameters of the Steinmetz circuit elements (inductance and capacitance) according to load changes. Materials and methods: The set problems were solved by numerical analytic and experimental methods. Using the power consumption analyzer AR-5 and the software package Power Vision, the authors assessed the level of the unbalance in the installation complex used for growing single crystals of leucosapphire «Apex-M».

Results: The authors have developed a scheme of a fast-response symmetrizing device (SD) based on magneto-valve elements with continuously adjustable conductivity modification which makes it possible to achieve the optimal level of symmetry in the electric technology installations used for growing leucosapphire monocrystals.

Conclusions: It has been determined that using the fast-response symmetrizing device (SD) based on magneto-valve elements with a modular control algorithm reduces the unbalance parameter to the normal level which increases the efficiency of both the supply line itself and the power system as a whole.

Key words: Unbalance, unbalanced conditions, unbalanced factor, electric power quality coefficients, energy efficiency increasing.

От электрических сетей систем электро- электроснабжения данного комплекса имеет снабжения питаются различные электротехни- вид, представленный на рис. 1. ческие комплексы, мощность которых составляет более 1 МВт. Рассмотрим комплекс промышленных установок, включенных в технологический процесс выращивания монокристаллов лейкосапфира по методу Киропулоса. Система

ачЗОт^

Й

и V

Рис. 1. Комплекс системы электроснабжения промышленных установок для выращивания монокристаллов лейкосапфира по методу Киропулоса: 11-1„ - ростовые установки; 2 -трансформатор; 3 - конденсаторная установка; 4 - прочие однофазные и трехфазные потребители

Каждый элемент данного комплекса представляет собой нагрузку, включенную в трехфазную сеть по одно-трехфазной схеме. Такое электропитание отрицательно сказывается на параметрах симметрии трехфазной питающей системы и работе других потребителей. В связи с этим проведем анализ уровня несимметрии на данном объекте, оценку влияния несимметричного режима на работу потребителей электроэнергии, входящих в данный электротехнологический комплекс, а также разработку обоснованных мероприятий по симметрированию электрической сети.

Нами была произведена оценка уровня несимметрии, имеющей место при работе электротехнологического комплекса, включающего в себя ростовые установки для выращивания монокристаллов «Апекс-М» с помощью программно-технического решения, выполненного на базе анализатора электропотребления АР-5 и программного пакета РошеМэюп. На рис. 2 представлены суточные графики изменения линейного напряжения в трехфазной электрической сети.

Рис. 2. Графики изменения линейного напряжения: 1 - иАВ; 2 - иве; 3 - исА

Анализ графиков (рис. 2) показывает наличие явной несимметрии линейных напряжений.

Для количественной оценки несимметрии была использована методика, приведенная в ГОСТ 13109-97. В качестве критерия несимметрии был выбран коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности е2и для междуфазных напряжений, который определяется как результат усреднения N наблюдений е2щ на интервале времени 24 часа:

-2и

■2и/

„ _ и2(1)/ . 100 е2и/ _ и--,

ином мф

(3)

и2(1)/ - 0,62Синб(1)/ - инм(1)/),

где иноммф - номинальное значение междуфазного напряжения; и2(1)/ - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжения в каждом /-м наблюдении; инб(1)/, инм(1)/ -наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений основной частоты в /-м наблюдении, В, кВ.

В результате вычислений, произведенных по (1)-(3), коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности получился равным е2и = 3,14, что превышает предельно допустимые нормы.

Рассмотрим воздействие несимметричного режима электрической сети на работу подключенных к ней потребителей.

Несимметричный режим негативно сказывается непосредственно на самих ростовых установках (рис. 1, 11-1п). Каждый элемент 1-1 п представляет собой отдельно взятую ростовую установку, функциональная схема электроснабжения которой представлена на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема электроснабжения установки для выращивания монокристаллов: 1 - ростовая установка (11 - расплав, 12 - монокристалл, 13 - затравка, 14 - охлаждаемый водой держатель затравки, 15 - нагреватель); 2 -вакуумный насос (21 - асинхронный двигатель); 3 - водяной насос (31 - асинхронный двигатель); 4 - регулятор тока; 5 -трансформатор

Возникающие несимметричные режимы сети при работе однофазных ростовых установок приводят к изменению фазности и величины однофазных питающих напряжений. Это обстоятельство негативно влияет на режимы регулирования температуры. Нарушение температурного режима приводит как минимум к изменению направления кристаллизации монокристалла и образованию дефектных включений, пузырьков, примесей и как максимум к лавинной кристаллизации - «замерзанию».

В соответствие с [1], средний уровень по-терь(процент брака) определяется по формуле

(4)

N

(1)

р,/ _ ^]>п (0/н - 0/ ьк(0/ - 0/н)ка ,

где 0/ - текущая температура; 0нн - номинальная температура; Т - время анализа; Ьк - коэффи-

циент полинома аппроксимирующего функцию потерь; sign - функция выделения знака.

Согласно (4), при температуре, соответствующей номинальному режиму, потери отсутствуют. При увеличении отклонения от номинальной температуры в меньшую сторону функция потерь возрастает.

Регулирование и поддержание необходимой температуры в установках для выращивания монокристаллов осуществляется за счет вакуумных и водяных насосов (рис. 3). Асинхронные двигатели (АД),входящие в их состав, являются особо чувствительными к наличию несимметрии напряжений. Наличие даже незначительной несимметрии на зажимах приводит к значительному увеличению потерь активной мощности и, как следствие, к дополнительному нагреву обмоток.

Коэффициент потерь мощности АД при несимметричном режиме определяется из выражения [2]

K,

= лрл,

рАД - АРМ1НОМ^П / Р Н = Г11П / 005 фп,

где РН - номинальная активная мощность двигателя; г1 - активное сопротивление статорной обмотки; п - КПД двигателя; еоэф - номинальный коэффициент мощности.

Дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией, могут быть определены из выражения

(

ЛРАД - КАД

2,414 + У

v=2

Дополнительный

и,

2 ^

перегрев обмоток АД, вызванный несимметрией, определяется по упрощенной формуле

Лт =

280 b

(

1,55 е2и

.1,39 у

v=2

где В - тепловой параметр асинхронного двигателя.

Продолжительность жизни изоляции рассчитывается как

/2

z = exp

-280 (1,55sU +1,39 у -Ц=) v

v=2

Величина, обратная г, называется кратностью снижения срока службы:

у = 1/г = ехр ЬАт.

Согласно расчетам и опытным данным, при повышении температуры изоляции примерно на 8° срок ее службы уменьшается в 2 раза. При повышении коэффициента несимметрии до 4 % срок службы АД сокращается вдвое только за счет дополнительного нагрева, а при увеличении коэффициента несимметрии до 5 % мощность двигателя уменьшается на 5-10 % [3].

Несимметрия напряжений отрицательно сказывается и на силовых трансформаторах, к которым подключается трехфазная сеть (рис. 1), вызывая протекание в них токов обратной последовательности, вследствие чего возникают дополнительные потери активной мощности [2]:

лрт=6:

Лр

лр

Х.Х

К.З

-'К.З

где ЛРХХ = 3UHIХХ cosф ХХ - потери холостого

хода в номинальном режиме;

ЛРК .3 = 31 к.зГк .з.к

потери короткого замыкания в симметричном номинальном режиме.

Дополнительные потери в трансформаторах сопровождаются повышением температуры обмоток и, как следствие, сокращением срока их службы. Перегрев обмоток трансформатора определяется как разность между превышением температуры обмотки над температурой внешней среды при заданном режиме и при номинальном:

1

Лт = т,

об-в

°(об-в)н

= «1% +

у-

d + d-,v2 + d-.

V=2 ^ '

где аЕ, d1, d2 = 0,03а1, d3 = 1,291 а2 - коэффициенты, средние значения которых различны для каждого конкретного электрооборудования.

При несимметрии токов трансформатора нагрев масла будет меньше, чем в случае симметричной нагрузки при токе фаз, равном току наиболее загруженной фазы (в результате обмотка этой фазы охлаждается более интенсивно).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для компенсации реактивной мощности, ограничения и поддержания напряжения в трехфазной сети к ней подключаются конденсаторные установки (рис. 1). Эти установки усиливают несимметричный режим, поскольку выдача реактивной мощности в сеть в фазе с наименьшим напряжением будет меньше, чем в остальных фазах.

При несимметрии напряжений они неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, что делает невозможным полное использование установленной мощности, приводя к существенному возрастанию температуры конденсаторов и сокращению срока их службы.

Дополнительные потери в конденсаторной установке, обусловленные несимметрией, определяются как [3]

(

\

АРдоп = он <9§ ^ + £ vu2v

V 2=2

где Он - номинальная реактивная мощность конденсаторной установки; 1д5 - тангенс угла потерь диэлектрика на основной частоте.

Дополнительный нагрев конденсаторной

установки при этом рассчитывается по формуле

( <*>

Ат = ^н е2 + £ 2и2 V 2=2

где &Н - перепад температуры между наиболее нагретой точкой конденсатора и окружающей средой при симметричном напряжении.

Кратность снижения срока службы конденсаторной установки определяется как

у = ехр

I и

V=2

Наряду с вышеперечисленными установками, в промышленный комплекс, предназначенный для выращивания монокристаллов по методу Киропулоса, входят и другие одно-трехфазные потребители (рис. 1), на которые оказывает существенное влияние несимметричный режим. Превышение допустимых норм коэффициента несимметрии оказывает отрицательное влияние на работу осветительной аппаратуры, используемой в технологическом процессе, вызывая отклонение напряжения, которое, в свою очередь, влияет на такие важные показатели, как световой поток, световая отдача и срок службы. При снижении напряжения на 7- 10 % снижается надежность люминесцентных ламп, а их световая отдача снижается пропорционально снижению уровня напряжения.

Функциональная связь между эффективностью работы приемника и уровнем напряжения выражается в виде соотношения

1 = еъи2 + съи,

где 1 - удельный экономический ущерб от напряжения, не соответствующего нормам; а, с - коэффициенты экономической невыгодности, зависящие от типа лапы; ъи - отклонение напряжения от номинального на зажимах приемника.

В целях устранения несимметричного режима и приведения коэффициента несимметрии к нормируемому значению применяются симметрирующие устройства (СУ), распределяющие токи между фазами электрической сети и приводящие коэффициент несимметрии к нормируемому значению.

Существующие на сегодняшний день СУ, в большинстве своем, основаны на схеме Штейн-метца и представляют собой дискретные элементы - индуктивность и емкость. Параметры нагрузки в них изменяются методом дискретного регулирования, однако при этом не обеспечивается точность параметров симметрирования сети в сложном электротехнологическом комплексе (рис. 1), поскольку установки по выращиванию монокристаллов [4] представляют собой резкопеременную нагрузку. В этом случае требуется применение плавнорегулируемых пофаз-ных элементов.

В целях обеспечения оптимального уровня симметрии в электрической сети, питающей комплекс установок по выращиванию монокристаллов, предлагается применение группы быстродействующих СУ с плавнорегулируемым изменением характера проводимости (емкостного или индуктивного) от 0 до номинального значения. Межфазный вариант СУ представлен на рис. 4, его регулировочная характеристика - на рис. 5.

©

х

Ж

Рис. 4. Принципиальная схема межфазной СУ на базе маг-нитовентильных элементов: 1 - управляемый дроссель; 2 -управляемый конденсатор; 3 - тиристорная пара; 4 - блок управления О. СУ, кВАР

I

М ¿СУ=0 -Щ <т/'1>яд-

Рис. 5. Регулировочная характеристика СУ

Управление СУ в соответствие с регулировочной характеристикой осуществляется с применением системы автоматического регулирования несимметрии одноплечевой нагрузки (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема системы автоматического регулирования (САР) несимметрии одноплечевой нагрузки: ДТ -датчик тока; ДН - датчик напряжения; МК - микроконтроллер; СУ1, СУ2 - симметрирующие устройства 1 и 2; БУ СУ1, БУ СУ2 - блоки управления симметрирующими устройствами

Таким образом, для к-го количества однофазных нагрузок, входящих в комплекс установок по выращиванию монокристаллов, необходимо применить к-количество СУ и блоков САР, тем самым обеспечивая оптимальный уровень несимметрии в электрической сети и предотвращая негативное воздействие несимметричного режима на работу потребителей электрической сети.

В результате применения предлагаемой системы автоматического регулирования получены графики напряжений, представленные на рис. 7. При этом коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности составляет К2и = 0,41.

4Мт м|

Mi

"щ »Ii VI" \ t чл^ЧлУ/

USE 1 Irl. <

1№> 21» Ш Ж м W М IM

Рис. 7. Графики изменения линейного напряжения в результате применения системы автоматического регулирования быстродействующим СУ: 1 - UAB; 2 - UBC; 3 - UCA

Заключение

Применение комплекса быстродействующих СУ на базе магнитовентильных элементов с использованием модульного алгоритма управления позволяет снизить коэффициент несимметрии до нормального уровня, что способствует повышению эффективности как самой питающей сети, так и энергокомплекса в целом.

Список литературы

1. Юдин А.В. Методология создания автоматизированных систем обеспечения стабильности условий роста монокристаллов в электротермических установках: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Рыбинск, 2011. - С. 4-10.

2. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электрической энергии систем электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -336 с.

3. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях. - Киев: Наук. думка, 1985. - 268 с.

4. Манин А.В., Юдин А.В., Чижикова Н.В. Повышение энергоэффективности работы установок по производству монокристаллов методом Киропулоса // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии. - 2011. - № 2 (21). - С. 126-129.

References

1. Yudin, A.V. Metodologiya sozdaniya avtomatiziro-vannykh sistem obespecheniya stabil'nosti usloviy rosta monok-ristallov v elektrotermicheskikh ustanovkakh. Avtoref. diss. d-ra tekhn. nauk [Methods of developing automated systems ensuring the stability of single crystal growth in electrothermal installations. Abstract Dr. tech. sci. diss.]. Rybinsk, 2011, pp. 4-10.

2. Ivanov, V.S., Sokolov, V.I. Rezhimy potrebleniya i kachestvo elektricheskoy energii sistem elektrosnabzheniya promyshlennykh predpriyatiy [Consumption regimes and power quality of industrial plants power systems]. Мoscow, Energoa-tomizdat, 1987. 336 p.

3. Shidlovskiy, A.K., Kuznetsov, V.G. Povyshenie kachestva energii v elektricheskikh setyakh [Power quality enhancement in electrical networks]. Kiev, Naukova dumka, 1985. 268 р.

4. Manin, A.V., Yudin, A.V., Chizhikova, N.V. Povyshenie energoeffektivnosti raboty ustanovok po proizvodstvu monok-ristallov metodom Kiropulosa [Increasing the power efficiency of monocrystal producing installations by the Kyropoulos tecnhi-que]. Vestnik Rybinskoy gosudarstvennoy aviatsionnoy tekhnologicheskoy akademii, 2011, no. 2 (21), pp. 126-129.

Чижикова Наталья Вадимовна,

ФГБОУВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», аспирант кафедры электротехники и промышленной электроники, e-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.